摘要：本文系统地回顾了我国混凝投药控制技术的发展，详细介绍了各种投药技术并进行分析，通过本文可以了解到，在2005年新的水质标准实行后，出厂水的浊度由原来的1NTU降为0.5NTU，因此在我国实现混凝投药工艺的自动化控制，提升水质指标，降低水厂成本是当务之急。
关键词：凝投药 控制 流动电流法 透光率脉动法
在水处理单元环节的自动控制方面，混凝投药是最困难的环节，因为它涉及的是一个复杂的物理化学过程，但由于混凝在水处理工艺中的重要地位，混凝投药也是最为人们关注的环节。几十年来，我国的混凝投药控制技术十分落后，在相当长的一段时期内基本上采用原始的人工控制方式。近二十年来，随着改革开放的深入，国外先进的自动控制理念逐步深入到净水厂这个传统行业。
1．投药控制技术
投药及控制方式按药剂投加形态分为干投与湿投。干投是用干投机将固体药剂直接投入水中或投入溶解容器内，再投入水中，其计量与控制都是比较困难的，调节性能较差。湿投又可以分为高位溶液池重力投加、泵前投加、水射器投加、水泵投加等多种形式[1]。
1.1 重力式投药（图一所示）
药液自高架溶液池中流出，经过恒液位依靠重力作用投入水中。较早的一种投药控制调节方式是苗嘴调节。根据对投药量的要求，更换恒液位出口苗嘴的规格，由水力学可知流出流量会发生改变。这是一种不能太频繁的间歇式调节方式，在90年代初期仍有个别水厂应用。另一种常见的调节方式是对投药管路上的阀门进行调节，观察转子的指示，改变投药量。
图一 高位溶液池重力投药
1—溶解池；2—水泵；3—溶液池；4—投药箱；5—漏斗；6—压水管
1.2 泵前投加（图二所示）
图二 泵前加药
1— 吸水管；2—出水管；3—水泵；4—水封箱；5—浮球阀；6—溶液池；7—漏斗
药液投加在水泵吸水管或吸水管头部。这种投加方式安全可靠，一般适用于取水泵房距水厂较近者。图中水封箱是为防止空气进入而设的。
1.3 水射器投加（图三所示）
利用高压水通过喷嘴和喉管之间真空抽吸作用将药液吸入，同时随水的余压注入原水管中。水射器效率较低，易磨损，但设备简单，使用方便，溶液池高度不受太大的限制。
图三 水射器投加
1—溶液池；2—阀门；3—投药箱；4—阀门；
5—漏斗；6—高压水管；7—水射器；8—原水管
1.4 水泵投加
传统上最常见的方式是采用离心式投药泵，将药液送入水中。调节方法是对投药管路的阀门调节、转子指示。后来在80年代后期，开始出现了计量泵投药的应用。
2.投加控制技术
无论上述何种投加与调节方式，都涉及一个重要的问题：如何决定当前最佳投药量应该是多少。最佳投加量是指达到既定水质目标的最小的投加量[2]。投加量得确定主要有以下几种方式：
2.1 经验目测法
操作人员根据工作经验、或者观察絮凝池矾花生成情况，决定投药量。有的水厂根据试验或生产统计经验，制成浊度-矾耗对照表，作为决定投药量的依据。事实上，这是以原水浊度为控制参数的一种控制方法。
2.2 烧杯试验法
在70～80年代以后，越来越多的水厂采用烧杯试验作为确定投药量的参考方法。烧杯试验每天或每周进行1次。由于间隔时间长，而且许多水厂烧杯试验结果与水厂实际有一定的出入，因此多数水厂只是将烧杯试验结果作为参考。这里存在的一个问题是，烧杯试验条件不应是千篇一律的，每个水厂应该研究与该厂水处理工艺有相似性的特定烧杯试验条件。
上述各种方法都属于人工控制方法，都难以追随水质水量等因素的变化，对投药量进行及时准确的调节。投药的准确性不仅取决于操作人员的技术与经验，而且和操作人员的责任心有很大关系，工人的劳动强度也较大。由于投药控制技术落后，严重影响了水处理的质量，也造成药剂的较大浪费。
2.3 模拟滤池法[3]
60年代初，模拟滤池法在西方国家开始应用，我国无锡中桥水厂于1981年安装了一套模拟滤池系统控制投药。该方法可对量进行在线连续控制。上作过程是：将在生产净化系统中加药混合后的原水，引出一部分进入小模型滤池，根据该滤池出水浊度的情况来评价投量是否适宜，由控制系统对投药量自动调节。这属于一种中间参数反馈控制系统。该方法的模拟性能也是取决于原型(生产系统)与模型(模拟滤池)的相似性。
模拟滤池法关于相似性的解释不仅未涉及几何相似的问题，而且忽略了实际生产系统中反应池、沉淀他的作用，仅仅考虑滤池同药耗的关系，对此还需要更深入的探讨。另外，原水加药后直至经过模拟滤池而得到结果，一般需要10～15min，在原水水质变化较快的情况下该滞后时间也对控制的有效性提出疑问。尽管如此，这种方法将一个复杂的混凝效果评价问题以简单的模拟滤池出水浊度作为指标判断，据此来调整投量．系统设备简单，易于实现，是一种简易的投药自动控制方案，在生产上也得到了一定程度的应用。
2.4 数学模型法
的投加量与原水水质和水量有关，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序叫计算机执行控制。由此可见，数学模型法是以若干原水水质、水量参数为变量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型。计算机系统自动采集参数数据，并按此模型自动控制投药。在水处理中最好采用前馈和后馈相结合的控制模型。前馈数学模型应选择影响混凝效果的主要参数为变量，例如原水浊度、pH值、水温、溶解氧、碱度和水量等。前馈控制确定一个给出量，然后以沉淀池的出水浊度作为后馈信号来调节前馈给出量。由前馈给出量和后馈调节量就可获得最佳药剂量。这种方法国外自70年代初开始有研究和应用，如美国依阿华水厂、前苏联莫斯科水厂、日本朝霞水厂等，我国也有上海石化总厂水厂等应用该方法控制混凝投药。
但是这种控制系统的缺点也是显而易见的。控制系统仪表较多．并要求每台仪表都能准确可靠地工作，整个系统才能正常运转。因此。虽然许多水厂建立丁自己的数学模型，但都未能实现以数学模型法控制投药。特别是有些模型中包含目前难以自动连续检测的参数(如氨氮等)．自动控制系统的实现就更加困难了，故此法至今在生产上难以推广。
2.5 流动电流法
2.5.1 流动电流法的发展历程
80年代，国际上出现了流动电流投药控制技术，其关键是通过测量流动电流，实现了对水中胶体电荷的在线连续检测。1989年，流动电流投药自动控制技术被首次介绍到了国内[4]。1992年，首套国产流动电流混凝控制系统在牡丹江应用成功[5]。与流动电流技术相配合，还将变频调速技术应用于包括计量泵和离心泵在内的投药泵的调节。在应用中，流动电流技术得到了不断的改进，发展出了流动电流-浊度串级反馈控制系统、流量-流动电流前馈-反馈控制系统等[6]。流动电流技术在我国许多水厂获得了较普遍的应用，已被列入我国“城市供水行业2000年技术进步发展规划”，成为水处理混凝控制的主导技术之一[7]。
2.5.2 流动电流法的原理[8]
流动电流是固、液界面的重要电动现象之一,最早在毛细管模型的实验中发现。当液体受一定压力通过1个毛细管或微孔塞时,在液体流动过程中可发生电荷迁移,电荷移动产生的电流称为流动电流;管两端产生的电位差称为流动电位。根据胶体化学理论,固、液界面上由于固体表面物质的离解或对溶液中离子的吸附,会导致固体表面某种电荷的过剩,并使附近液相中形成反电荷离子的不均匀分布,从而构成固、液界面的双电层结构。当有外力作用时,双电层结构受到扰动,在其反离子层中的吸附层与扩散层之间出现相对位移,在位移界面—滑动面上显现出的电位,即ζ电位。由于固、液两相分别带有电性相反的过剩电荷,在外力作用下会产生电动现象之一的流动电流,即在外力作用下液体相对于固体表面流动,使扩散层与吸附层之间产生位移,形成反电荷离子定向移动而产生电流。流动电流的检测是通过流动电流检测仪来完成。被测水样以一定的流速进入检测室,在检测室内有一活塞,作垂直往复运动。活塞和检测室内壁之间的狭小缝隙构成环形毛细管空间。当活塞在电机带动下做往复运动时,就象柱塞泵使水样在毛细管内做相应的往复运动。水样中的微粒会附着于活塞与检测室内壁的表面,形成一个微粒“膜”,环形毛细管中的水流带动微粒“膜”的扩散层作反离子运动,从而产生流动电流。流动电流经检测室两端的环形电极收集后,送给后继信号处理装置。
2.5.3 单因子自动投药控制系统
由以上理论可知，只需检测并控制与胶体ζ电位正相关的流动电流这一反映混凝本质的单因子。所谓单因子是指将影响混凝效果的几种主要因素,都反映在流动电流这一混凝本质参数上,只要测定和控制流动电流这一因子,就可实现准确控制的投加量。流动电流控制技术抓住了水中胶体的微观电特性,解决了影响水处理效果的主要矛盾。控制效果比传统“多因子数学模型法”更准确、可靠。
其控制系统主要由远程传感器、微电脑测控仪和变频调速装置3 部分组成。由于全厂PLC联网,控制信号都进入PLC后,由其输出至就地设备。
传感器利用流动电流原理,在传感器的检测室内,水样连续通过2个电极之间的毛细管通路,胶体杂质会吸附于毛细管壁,其反离子层受到水力剪切发生移动产生流动电流,由电极检出。它与水中胶体ζ电位正相关,准确反映胶体的脱稳程度,电子电路和微电脑利用该信号可准确控制投量。
控制器对传感器产生的信号进行整流、滤波、放大,使之成为能反映水中微电荷特性的参数,该参数产生控制投药量的4～20 mA 信号至PLC。变频调速控制系统根据PLC 的输出信号,对投药泵实行变频调节,变频投药泵采用往复式计量泵调节转速,达到调节加药量的目的。
混凝过程中影响混凝效果的因素很多,存在许多干扰。单因子自动投药控制系统具有克服各种干扰的调节能力,当工况波动时,流动电流值发生波动偏离给定值,干扰越大偏离越大。因此,该系统以流动电流的实测值与控制目标值之差为控制参数。加药混合后的水样经现场传感器检测,测出与水中胶体ζ电位正相关的流动电流,当设定沉淀池出水浊度目标值后,该系统能自动确定水中胶体电荷被中和的最佳值,仪器据此就可全自动地确定投量。该系统能迅速反映水质、水量、浓度等各项表观参数的综合影响,实现的精确投加。图四为单因子自动投药控制系统的组成。
图四 单因子自动投药控制系统
2.5.4 流动电流法的缺点
流动电流技术是基于胶体电中和脱稳为主的混凝控制技术，若混凝作用非以电中和脱稳为主而是以高分子（尤其是非离子型或阴离子型絮凝剂）以吸附架桥为主，则投药量与流动电流就很少相关。例如黄河高浊度水和某些污染较严重的水质。
2.6 透光率脉动法
透光率脉动法是利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化（包括颗粒尺寸和数量）从而达到在线连续控制的一种新技术。
絮凝脉动检测技术成功地解决了流动电流法不能解决的问题。该技术测量水中杂质絮凝过程中尺寸的相对变化，检测过程不受水中杂质玷污的影响。我国将国外尚处于实验室研究阶段的该项技术进行了应用开发，并于1992年首次成功地应用于黄河高浊度水的投药控制[9]。
3.展望
同任何技术一样，混凝投药控制技术也在不断地进步。近年来，流动电流和絮凝脉动检测技术在日臻完善，已经形成了系列化产品,并在大中型水厂得到了广泛的应用。最近，又有应用水下摄影和计算机处理技术进行投药控制的研究报导[10]。随着水质在线检测仪表的发展、完善与普及，水厂自动化系统的进步，新一代数学模型、模糊控制等方式也将出现。可以预计，水处理投药控制技术将出现更加丰富、完善的局面，这将促进水处理系统自动化、现代化水平的提高，为生产安全饮用水提供可靠的技术保证。
【参考文献】
[1] 张启海．城市给水工程．中国建筑工业出版社．2003。
[2] 严煦世．给水工程（第四版）．中国建筑工业出版社．1999。
[3].崔福义、彭永臻．给水排水工程仪表与控制．中国建筑工业出版社．1999。
[4] 崔福义．投加的优化自动控制—检测器法的试验研究．给水排水，No.3，1989。
[5] 崔福义、曲久辉、李虹、李圭白．国产流动电流投药控制系统的基本性能与应用评价．给水排水，No.8，1994。
[6] 崔福义、李圭白著．流动电流及其在混凝控制中的应用．黑龙江科技出版社，1995。
[7] 汪光焘主编．城市供水行业2000年技术进步发展规划．中国建筑工业出版社，1993。
[8] 周晓东、张阿卜.单因子自动投药控制系统在水净化站中的应用.电力建设.第25卷，第9期，2004。
[9] 于水利、李圭白、孙景浩．高浊度水絮凝投药自控系统生产试验．中国给水排水，1996，12。
[10] 杨凯人．显示式絮凝控制系统（FCD）在水厂的应用．中国给水排水，2000。
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